Research Article

Journal of Korea TAPPI. 30 June 2024. 27-34
https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2024.6.56.3.27

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 공시재료

  •   2.2 효소 처리 실험

  •   2.3 분석

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 효소 처리 후 펄프의 표면 변화

  •   3.2 효소 전처리 후 펄프의 화학 조성변화

  •   3.3 효소 전처리 후 펄프의 보수도 변화

  • 4. 결 론

1. 서 론

셀룰로오스는 지구상 가장 풍부한 유기물로 광합성을 통하여 매년 재생되고 있다. 이런 유기물은 자연계 내 분해 시스템을 통하여 일정량이 매년 분해되고 있다. 셀룰로오스를 포함하는 목질계 바이오매스의 자연 분해는 탄소 순환의 필수적인 부분을 형성하고 있으며 셀룰로오스 섬유를 가수분해하는 효소의 광범위한 연구가 이루어지고 있다.1,2,3,4,5,6,7,8)

바이오매스 분해효소의 펄프 제지 산업 이용은 리그닌 분해효소를 사용하는 바이오 펄핑이나 자일란 분해효소를 사용하는 표백 공정 도입이 시도되고 있으며, 셀룰로오스 나노섬유 제조 시 효소 전처리,9,10)재활용지의 염료 제거11) 및 셀룰로오스 분해효소 전처리 이용한 고해12,13,14)등 제지 산업에서 여러 분야에 사용이 시도되고 있다.

셀룰라아제는 셀룰로오스의 비결정 영역을 분해하는 endo-glucanase와 결정 영역의 환원성 말단기나 비환원성 말단기를 공격하여 cellulobiose로 분해는 cellobiohydrorase(CBH)또는 exo-glucanase로 구성되며 이렇게 만들어진 cellubiose를 포도당으로 분해하는 β-glucosidase를 포함한다. 상업용 셀룰로오스 분해효소는 이들 각 구성 효소의 배합비가 달라 배합비에 따라 셀룰로오스를 공격하는 양상이 다르다.12,15,16,17) 이러한 효소들은 제지공정에서 고해 진행 전 펄프에 전처리하였을 시 섬유의 표면 및 화학적 조성 변화에 따라 고해 동력이 감소한다.18,19)

제지공장에서 고해는 섬유 간 결합 또는 인장지수와 같은 종이 물리적 특성을 개선하는 목적으로 실행되는 중요한 공정이다. 고해 처리하지 않은 펄프로 만들어진 종이는 강도가 낮고 부피가 크며 표면이 거친 특성을 가지지만, 고해 처리를 한 펄프는 고해 과정에서 수분 흡수와 기계적 처리에 따른 섬유의 절단과 내부 피브릴화 및 외부 피브릴화를 통해 섬유의 유연성과 섬유끼리의 결합이 가능한 표면적이 증가한다.20) 이러한 기작으로 인해 섬유 간의 균일한 압축과 섬유끼리의 강한 수소결합 형성이 형성되어 강도가 높고 부피가 낮은 고품질 종이의 생산이 가능하다.15) 이렇듯 고해는 원하는 펄프 특성을 발현하기 위해 필수적이다.

펄프의 고해를 진행하기 위해 실험실에서 Valley beater와 PFI mill을 사용해 수행되고 있으며, 제지공장에서는 디스크 혹은 원뿔형 리파이너 등의 장비를 사용한다. 하지만 고해 과정에서 상당한 에너지가 요구되며 이는 전체 전기 에너지의 약 15-18%를 차지한다.16) 에너지 소모량은 기술의 발전과 함께 감소해 왔지만, 최근 국제 정세의 불안정으로 인한 유가 상승과 펄프의 가격 상승함에 따라 공정과 자제의 비용 절감이 필요하며, 또한 국제적인 탄소중립 정책으로 인한 탄소 발생량 저하를 위한 노력과 환경오염의 문제가 커짐에 따라 에너지 생산 시 화석연료의 사용을 감축을 위해 제지 산업에서 에너지 절약은 필수적인 요소이다.

본 연구에서는 효소 처리가 섬유 피브릴화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 셀룰로오스 분해효소만 포함하고 있는 상업용 효소와 셀룰로오스와 자일란을 분해하는 혼합효소를 각각 처리한 펄프와 미처리한 펄프를 비교하였다. 이때 각각의 효소가 펄프의 화학적 조성 및 섬유 표면에 일으키는 변화를 탐색하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

본 연구에서 사용된 펄프는 국내 S사에서 활엽수인 유칼립투스 표백 크라프트 펄프를 분양받아 사용하였다. 사용된 효소는 덴마크 Novozymes사의 액상형 효소 Cellulast® 1.5 L와 과립형 효소 Viscoflow® MG를 사용하였다. Cellulast® 1.5 L는 셀룰라아제로 이루어져 있고, Viscoflow® MG는 셀룰라아제와 자일라나아제 등으로 이루어져 있다. Cellulast® 1.5 L과 Viscoflow® MG의 활성화도를 Table 1에 나타내었다. 효소 역가는 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose, CMC)와 필터 페이퍼를 기질로 하여 3,5-dinitrosalicylic acid(DNS)을 이용한 환원당 정량법을 사용하여 측정하였다.

Table 1.

The specific enzyme activity of 2 different celluases at 50℃

Formulation Enzyme activity
(CMC/mL)
Enzyme activity
(FPU/mL)
Celluclast® 1.5 L 1.29 2.35
Viscoflow® MG 1.18 0.96

2.2 효소 처리 실험

전건 펄프를 기준으로 펄프 360.0 g에 대하여 1, 2 및 4 IU의 Cellulast® 1.5 L 와 Viscoflow® MG로 처리하였다. 전건 360.0 g의 펄프를 농도 4.5%로 후 4시간 침지시켜 펄프를 해섬 진행 뒤 pH 5, 반응 온도 50℃에서 효소 투입하였다. 1시간 동안 교반시키며 효소 가수분해를 시행하였다. 반응 후 95℃ 10분 처리하여 효소 반응을 중지시켰다. 효소를 투입하지 않은 비교군 또한 효소 처리를 제외하고 동일한 과정을 진행하였다.

2.3 분석

2.3.1 화학조성 분석

펄프의 화학조성을 분석하기 위해 1H-NMR 분석하였다.21) 50 mL의 유리 튜브에 0.04 g 펄프를 첨가한 뒤 0.6 mL의 72% 황산, 30℃에서 한 시간 동안 1차 가수분해 후 설정한 후 3 mL의 중수를 첨가하며 100℃에서 한 시간 동안 2차 가수분해하였다. 상온으로 냉각시킨 여과액을 1H-NMR 분석을 400 MHz 핵자기 공명 분석기(Avance III 400MHz. Brucker, Germany)를 사용하였다. 아노머성 수소 피크 면적을 적분한 후 다당류의 화학적 조성을 분석하였다.

2.3.2 SEM 분석

전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM, Ultra Plus model, Carl Zeiss, Germany)를 사용하여 분석하였다. 효소 처리 펄프는 2천 배의 배율로 촬영하였으며, 이때 현미경의 분해능은 15 kV에서 0.8 nm, 1 kV에서 1.6 nm이다.

2.3.3 섬유 보수도 분석

섬유 보수도는 TAPPI UM 256에 의거 하여 원심분리기(H-103N model, Kokusan Enshinki Co, Japan)를 이용하여 측정하였다. 펄프 섬유의 농도가 2 g/L에서 5 g/L 사이의 농도가 되도록 희석한 후 사용하였다. 시험 패드에 섬유를 넣고 시험 패드 고정 장치를 원심분리기 버킷에 넣은 후 중력가속도 3,000G, 30분간 원심 분리하였다. 가속 혹은 감속 시간은 위 30분에 포함되지 않았다. 원심분리기 정지 후 시험 패드의 무게를 측정하였다. 이후 105±2℃의 드라이어에서 건조 후 무게를 측정하였다. 다음 식을 사용하여 보수도를 g/g 단위로 계산하였다.

WRV=m1m2-1

where

m1: mass of the centrifuged wet test pad (g)

m2: mass of the dry test pad in grams (g)

3. 결과 및 고찰

3.1 효소 처리 후 펄프의 표면 변화

셀룰라아제는 endoglucanase, cellobiohydrase(CBH)와 β-glucosidase로 구성되어 있으며, 자일라나아제는 헤미셀룰로오스의 주성분인 자일란 분해효소로, 일반적으로 endoxylanase와 exoxylanase 및 xylosidase로 구성되어 있다. 이러한 셀룰라아제와 자일라나아제는 펄프의 다당류 구조를 분해하여 섬유 표면개질이 가능하다.

셀룰라아제를 주로 포함하고 있는 Cellulast® 1.5 L와 셀룰라아제와 자일라나아제를 함께 포함하고 있는 Viscoflow® MG를 사용하여 섬유 표면개질 효과를 확인하였다. 펄프 섬유의 표면 변화를 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 촬영하였으며, 그 결과를 Figs. 1, 2, 3에 나타냈다. 효소 처리를 하지 않은 펄프의 섬유에 비해 Cellulast® 1.5 L와 Viscoflow® MG를 사용하여 전처리를 진행한 펄프 섬유는 효소에 의해 가수분해되어 섬유 표면에서의 세포벽 박리가 일어난 것을 확인하였다. 각 효소의 IU를 증가시켰을 경우 세포벽 박리 또한 증가하였으며, 세포벽 박리에 따라 섬유의 외부 피브릴화의 증가를 확인하였다.22,23) 박테리아로 생산한 셀룰라아제는 초기에 섬유 세포벽 구조를 분해함에 따라, 미세분이 생성되는 것이 보고된 바 있으며,24,25) 세포벽의 바깥층이 분리되고 세포벽의 가수분해가 진행됨에 따라, 이런 효소 처리에서의 효과가 고해 효과와 유사한 효과를 발휘한다고 보고되었다.26,27) 또한, 효소 전처리 시 외부 피브릴화의 증가는 고해 시 고해도 도달에 도움을 주는 것으로 보고 되었다.18,19,23)

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Fig. 1.

SEM micrographs of hardwood kraft pulp (No enzyme treated).

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Fig. 2.

SEM micrographs of Celluclast® 1.5 L treatment pulp. (a): treated with 1 IU of Celluclast® 1.5 L, (b): treated with 2 IU of Celluclast® 1.5 L, (c): treated with 4 IU of Celluclast® 1.5 L.

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Fig. 3.

SEM micrographs of Viscoflow® MG treatment pulp. (a): treated with 1 IU Viscoflow® MG, (b): treated with 2 IU Viscoflow® MG, (c): treated with 4 IU Viscoflow® MG.

3.2 효소 전처리 후 펄프의 화학 조성변화

두 가지 다른 효소가 다당류 조성변화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 화학조성 변화를 분석하였다. 효소 전처리 후 핵자기 공명에서 셀룰로오스와 자이란의 가수분해 산물의 면적비를 비교하였다.

셀룰라아제만 포함하는 Celluclast® 1.5 L와 자이란 분해효소를 포함하는 Viscoflow® MG에서 다당류의 조성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 효소 가수분해 후 시료에 대조군을 1H-NMR 분석법을 사용하여 다당류 조성을 비교 분석하였다. 아노머성 수소 영역 피크의 확인과 적분을 통하여, 단당류를 정량할 수 있다.28)Fig. 4와 같이 활엽수 펄프의 NMR 스펙트럼 중 아노머성 수소 영역의 피크 부분을 확인 및 면적을 적분하여 단당류 조성을 분석하였다. 대조군과 Cellulast® 1.5 L 처리 펄프, Viscoflow® MG 처리 펄프의 글루코스와 자일로스 및 글루쿠론산 당 조성비 분석을 Table 2에 나타내었다. 글루코스 80.6%, 자일로스 17.7%인 대조군에 비해 Cellulast® 1.5 L는 글루코스 79.8%, 자일로스 18.5%의 조성비를 가지고 있다. 이는 Cellulast® 1.5 L의 셀룰라아제가 셀룰로오스를 분해하여 글루코스의 비율이 감소한 결과다. Viscoflow® MG는 글루코스 81.4%, 자일로스 17.2%로 Viscoflow® MG에 포함된 자일라나아제가 헤미셀룰로오스 자일란의 비율이 감소한 결과다. 글루쿠론산의 경우 대조군 1.7%, Cellulast® 1.5 L 1.9% 그리고 Viscoflow® MG 1.5%다. 활엽수에서 발견되는 주요 헤미셀룰로오스는 다당류 사슬을 따라 다양한 위치에 부착된 4-O-메틸글루쿠론산 치환기와 β-(1→4)-연결된 자일로스 잔기로 구성된 주 사슬을 포함하는 O-아세틸-글루쿠론자일란이다.29) 이는 헤미셀룰로오스가 제거됨과 동시에 글루쿠론산이 같이 제거되었음을 알 수 있다.

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Fig. 4.

1H-NMR spectrum of monosaccharide from hardwood pulp.

Table 2.

Carbohydrate Composition of wood pulp with different enzyme treatment

Composition
Sample
Glucose (%) Xylose (%) Glucuronic acid (%)
Control 80.61±0.10 17.72±0.06 1.66±0.06
Celluclast® 1.5 L 1 IU 77.99±0.55 19.89±0.63 2.12±0.13
Celluclast® 1.5 L 2 IU 77.89±0.38 19.97±0.21 2.14±0.20
Celluclast® 1.5 L 4 IU 79.76±0.20 18.46±0.20 1.78±0.13
Viscoflow® MG 1 IU 76.91±0.07 21.13±0.09 1.97±0.09
Viscoflow® MG 2 IU 77.07±0.05 20.98±0.13 1.95±0.09
Viscoflow® MG 4 IU 81.35±0.14 17.19±0.18 1.46±0.06

3.3 효소 전처리 후 펄프의 보수도 변화

효소 처리로 인하여 섬유의 표면 변화가 보수도에 미치는 영향을 확인하기 위해 보수도(Water Retention Value, WRV)를 측정하였다. 보수도는 펄프 제지 산업에서 섬유가 함유한 수분의 정도를 측정한 값으로 주로 섬유의 피브릴화 정도를 확인 할 수 있으며,26,27)섬유의 내부 피브릴화에 따른 팽윤 정도를 나타낸다, OCC의 재활용 공정에서 펄프를 회수할 때 화학적 조성에 따라 섬유 보수도가 달라지며 섬유의 팽윤 능력을 평가하는 기준이 된다. 또한, 섬유의 수분 보수도는 섬유 내의 친수성기 함량에 따라 달라진다.30)

효소 전처리를 진행한 섬유와 대조군의 보수도 값을 측정하여 결과를 Fig. 5에 도시하였다. 보수도는 대조군에 비해 Cellulast® 1.5L는 최대 54%, 최소 20% 증가하였으며, Viscoflow® MG로 전처리한 펄프는 최대 41%, 최소 22%의 보수도가 증가하였다. 효소 전처리 효과로 섬유 표면의 피브릴화와 셀룰라아제에 의해 무정형 셀룰로오스가 분해되어 보수도가 증가한 것으로 판단된다.31,32,33,34)

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Fig. 5.

Effect of different enzyme treatment on WRV.

또한, Cellulast® 1.5 L의 첨가량이 증가할수록 보수도가 증가하는 반면, Viscoflow® MG는 첨가량이 증가하였을 경우 보수도가 증가하는 경향을 보이지만, 일정량 첨가 시 보수도의 변화가 크게 일어나지 않았다. 이는 Viscoflow® MG에 포함된 자일라나아제가 헤미셀룰로오스를 제거함에 따라, 헤미셀룰로오스 내 글루쿠론산의 제거가 보수도에 영향을 미쳤다.35)

4. 결 론

본 연구에서는 두 종류의 다당류 분해효소 처리가 표면개질과 이로 인한 화학적 조성변화를 확인하였다. 이를 확인하기 위해 섬유 표면분석, 다당류 조성변화, 섬유 보수도를 분석하였다.

섬유 표면분석 결과 Celluclast® 1.5 L와 Viscoflow® MG 모두 효소 미처리 섬유보다 피브릴화가 진행되었다. 1H-NMR 분석을 통한 펄프의 화학 조성분석 결과 Celluclast® 1.5 L에 의하여 셀룰로오스가 분해되었으며, Viscoflow® MG에 의하여 셀룰로오스뿐만 아니라 헤미셀룰로오스가 분해되어 글루쿠론산도 같이 제거되었다. 보수도는 무처리 펄프에 비하여 두 종류의 효소 모두 보수도가 상승하였으며 Celluclast® 1.5 L의 보수도가 더 높게 나타났다.

효소 첨가량을 증가시키면 다당류의 분해가 더욱 진행되고 이에 따라 보수도도 증가하였다. 셀룰라아제만 포함하고 있는 Celluclast® 1.5 L이 셀룰라아제와 자일라나아제를 함께 포함하고 있는 Viscoflow® MG 보다 섬유의 피브릴화와 보수도의 증가에 더 효과적이다.

Acknowledgements

이 논문은 충북대학교 국립대학육성사업(2023)지원을 받아 작성되었음.

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